林興軍　陳鵬　孫燕　黃麗芳　董云萍

摘 要 為提高咖啡園磚紅壤肥料有效性，采用土壤好氣培養(yǎng)法進(jìn)行試驗(yàn)，以尿素和硫酸銨為氮肥，研究了磚紅壤區(qū)不同咖啡園土壤硝化作用特征。結(jié)果表明，土壤性質(zhì)、氮肥種類和環(huán)境溫度顯著影響磚紅壤硝化速率。在3種因素共同作用下，硝化速率呈“S”型變化曲線；土壤性質(zhì)中土壤pH是影響咖啡園磚紅壤硝化特性的主要因素，pH值越高的土壤硝化速率越快（酸性土壤），21 d后土壤硝化率達(dá)到100%；不同氮肥的硝化過(guò)程有明顯差異，施尿素的土壤硝化速率顯著高于施硫酸銨的土壤（p<0.05）；溫度會(huì)影響硝化速率，30 ℃土壤硝化速率顯著大于25 ℃土壤。因此，針對(duì)不同土壤特性和環(huán)境溫度，應(yīng)選擇不同種類氮肥，以提高肥料利用率。

關(guān)鍵詞 咖啡園；氮肥；磚紅壤；硝化作用

中圖分類號(hào) S663.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract In order to improve fertilizer effectiveness of latosol in the coffee plantation， using urea and ammonia sulfate as nitrogen fertilizer， an incubation experiment was conducted to study the effects of different fertilization on the nitrification of latosol in different coffee plantation. The results showed that soil properties， nitrogen types and environmental temperature significantly influenced the soil nitrification rate. Under the combined action of soil properties， nitrogen types and environmental temperature， changing tendency of the soil nitrification rate showed as‘Stype. Among soil properties， the soil pH was the main factor which affecting the soil nitrification in the coffee plantation. The faster the soil nitrification rate occurred， the higher the pH value was， and the nitrification rate reached 100% after 21days. The nitrification process of different nitrogen fertilizer was obviously different， and the nitrification rate in the soil which applied urea fertilizer was significantly higher than that which applied ammonia sulfate（p<0.05）. The temperature changed the nitrification rate， and the nitrification rate under 30 ℃ was significantly higher than that under 25 ℃（p<0.05）. Therefore， it is recommended that different types of nitrogen fertilizers should be applied according to soil properties and the temperature of the environment to improve the fertilizer use efficiency.

Key words Coffee； Nitrogen fertilization； Latosal； Nitrification

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.003

硝態(tài)氮是田間條件下生長(zhǎng)的大多數(shù)栽培植物的主要無(wú)機(jī)氮化合物來(lái)源。在自然土壤中，土壤溶液的硝態(tài)氮濃度通常低于1 mol/m3，而在農(nóng)業(yè)土壤中，由于施肥而造成的土壤硝態(tài)氮濃度可高達(dá)20 mol/m3以上[1]。氮肥施入土壤后會(huì)導(dǎo)致酸化，其機(jī)制中最重要的過(guò)程是硝化作用的發(fā)生。硝化作用是自然界中氮素循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是土壤中的銨態(tài)氮在微生物作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的重要微生物過(guò)程，被認(rèn)為是土壤氮素循環(huán)的核心和提供植物有效氮的主要過(guò)程[2-3]。土壤硝化過(guò)程受土壤水分[4]、土壤溫度[5]、土壤肥力[6]、土壤pH[7]、土地利用類型[8]、耕作方式[9]等多種因素的影響，但各種影響因素在不同條件下的反應(yīng)不盡相同。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為酸性條件下硝化作用受到抑制[10-11]。近年來(lái)的研究表明，亞熱帶地區(qū)的酸性紅壤，在一定條件下硝化作用受到抑制[12-13]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田和茶園中，即使土壤pH達(dá)到很低水平仍可發(fā)生硝化作用[14-15]。土壤施用氮肥后，由于硝化作用而向環(huán)境釋放H+是引起土壤酸化的主要機(jī)制[16]。

作為硝化作用的底物，氮肥對(duì)硝化作用的影響受到廣泛的關(guān)注。部分研究者[17-18]認(rèn)為，氮肥的施用并未顯著影響到土壤硝化作用；也有研究結(jié)果[13]表明不同氮肥種類對(duì)土壤硝化作用的影響有顯著差異，尿素的施用可能促進(jìn)硝化作用，硫酸銨的施用對(duì)土壤硝化作用的影響仍存在爭(zhēng)議[13，19-20]。海南是中國(guó)主要的咖啡種植區(qū)之一，咖啡主要種植在酸性強(qiáng)、陽(yáng)離子交換量低的磚紅壤上，同時(shí)由于地處熱帶北緣、溫度高、雨量大而集中，造成土壤持水保肥性能較差，NO3--N等營(yíng)養(yǎng)元素易遭淋失。中國(guó)咖啡園普遍存在重施氮肥的現(xiàn)象，肥料利用率低。因此如何提高氮肥利用率，已經(jīng)成為咖啡園可持續(xù)發(fā)展必須解決的問(wèn)題。本研究選取尿素和硫酸銨2種常用氮肥，通過(guò)室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，研究磚紅壤區(qū)不同咖啡園土壤施用不同氮肥后的硝化作用特征，為咖啡園土壤氮素保存及提高咖啡樹氮肥利用率提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

土壤樣品采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所瓊海大路試驗(yàn)基地（東經(jīng)：110°27′29″，北緯：19°26′44″）和香飲所試驗(yàn)基地（東經(jīng)：110°12′56″，北緯：18°45′39″）。3種土壤分別為：（1）種植1 a的咖啡園土壤（X）；（2）種植20 a胡椒后改種咖啡半年的土壤（Y）；（3）種植20 a的老咖啡園土壤（Z）?？Х葹橹辛７N咖啡。

土壤樣品于2014年10月16～17日采集，采用多點(diǎn)混合取樣法采集0～20 cm深土壤耕層；樣品采回后稍涼干，剔去其中的石塊、草根等雜物，將其充分混勻，過(guò)2 mm篩；取部分新鮮土樣測(cè)定其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，部分土樣作為土壤硝化勢(shì)培養(yǎng)試驗(yàn)的供試土樣，其余土樣待風(fēng)干后測(cè)定其部分理化性質(zhì)（表1）。

1.2 方法

采用好氣培養(yǎng)法培養(yǎng).分別稱取相當(dāng)于10 g干土的新鮮土樣X(jué)、Y、Z若干份，放置于50 mL離心管中，試驗(yàn)以尿素、硫酸銨為氮源，以清水為對(duì)照。（1）對(duì)照：加入2 mL水至田間持水量進(jìn)行培養(yǎng)，作為空白對(duì)照以扣除試驗(yàn)中土壤有效氮的原始含量；（2）處理：加入2 mL純氮濃度為1.0 g/L的尿素或硫酸銨溶液，然后加入0.2～0.4 mL的水至田間持水量（田間持水量為22%～24%）進(jìn)行培養(yǎng)。管口用塑料薄膜（Parafilm）封閉，并在膜上面用針均勻地戳小孔以保證培養(yǎng)過(guò)程的氧氣供給，稱重并記錄，分別在25 ℃和30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)56 d，每周稱重并及時(shí)補(bǔ)足水分以保持恒重。分別于培養(yǎng)1、2、4、7、14、21、28、35、42、49、56 d時(shí)取樣，每個(gè)土樣各取3管作為3個(gè)重復(fù)，同時(shí)取空白對(duì)照樣品，分別測(cè)定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤硝化率/%=（土壤加氮培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量-原土壤培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量）/（土壤加氮培養(yǎng)后礦質(zhì)氮含量-原土壤培養(yǎng)后礦質(zhì)氮含量）×100（忽略加入氮對(duì)土壤氮素的激發(fā)效應(yīng)）

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別用靛酚蘭比色法、紫外分光光度法測(cè)定，用Excel辦公軟件作圖，并用SAS（9.2）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)溫度下尿素對(duì)土壤硝化作用的影響

2.1.1 30 ℃下尿素對(duì)土壤硝化作用的影響 培養(yǎng)初期，尿素發(fā)生水解作用，土壤中NH4+-N含量迅速增加，而后硝化作用的發(fā)生使NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N（圖1-A）。不同土壤銨態(tài)氮增加和降低速率不同，土壤Z水解最快（第2天水解完全），其次為土壤Y（第3天水解完全），最慢為土壤X（第4天水解完全）。而后土壤銨態(tài)氮含量下降，土壤Z下降最快（14 d后NH4+-N含量接近于0），變化曲線呈不對(duì)稱的“拋物線”型；土壤X和土壤Y下降速率小于土壤Z，且21 d后土壤X下降速率大于土壤Y，變化曲線呈倒“S”型。結(jié)果表明在30 ℃條件下，尿素在咖啡園土壤中水解都較快，4 d內(nèi)就基本水解完全。土壤Z在第2天就發(fā)生硝化作用，產(chǎn)生少量硝態(tài)氮，第4天后NO3--N含量迅速增加（圖1-B），第21天后逐漸趨于穩(wěn)定；土壤X和土壤Y 的NO3--N量在0～7 d時(shí)幾乎為零，說(shuō)明在此期間土壤硝化作用很弱，7 d后土壤Y開始進(jìn)行較強(qiáng)的硝化作用。21 d后土壤X的NO3--N增加速率大于土壤Y，第42天時(shí)達(dá)到最高值，說(shuō)明土壤X在21 d后才開始進(jìn)行較強(qiáng)的硝化作用；硝化反應(yīng)完成后，土壤硝態(tài)氮中氮的最大含量低于尿素水解后銨態(tài)氮中氮的最大含量，且硝化速率較慢的土壤硝態(tài)氮含量較低，這可能是由于土壤Z中尿素水解快，銨態(tài)氮揮發(fā)損失少，而土壤Y中尿素水解慢，銨態(tài)氮揮發(fā)損失相對(duì)較多。

2.1.2 25 ℃下尿素對(duì)土壤硝化作用的影響 25 ℃下土壤中NH4+-N含量變化均呈不對(duì)稱的“拋物線”型（圖2-A），且NH4+-N下降速率低于30 ℃下。各土壤間的變化趨勢(shì)與30 ℃下的變化趨勢(shì)一致。25 ℃下土壤Z的硝化速率仍高于土壤X和土壤Y（圖2-B）；土壤X在56 d時(shí)仍未完成硝化作用，說(shuō)明溫度對(duì)土壤硝化速率產(chǎn)生一定的影響；土壤Z中硝態(tài)氮的最高含量在25 ℃條件下大于30 ℃條件下，說(shuō)明溫度低可以減少銨態(tài)氮的揮發(fā)。

從以上分析可知，施入尿素后土壤在25 ℃下硝化速率比30 ℃慢且平緩，溫度低抑制土壤硝化作用；土壤Z的硝化作用潛力顯著大于其他2種土壤，且尿素在土壤Z中水解快，易造成養(yǎng)分揮發(fā)。

2.2 不同培養(yǎng)溫度下硫酸銨對(duì)土壤硝化作用的影響

2.2.1 30 ℃下硫酸銨對(duì)土壤硝化作用的影響 第4天后土壤Z中NH4+-N含量迅速下降（圖3-A），21 d后其中的NH4+-N含量接近于0；土壤X和土壤Y中的NH4+-N含量均緩慢下降，并且土壤X下降速率高于土壤Y。加入硫酸銨后土壤硝化速率呈現(xiàn)倒“S”型變化（圖3-B），土壤Z在第4天時(shí)有少量硝態(tài)氮產(chǎn)生，第7天后硝態(tài)氮含量迅速增加，第35天時(shí)達(dá)到最高；土壤Y的NO3--N含量在0～14 d時(shí)幾乎為零，14 d后土壤開始進(jìn)行較弱的硝化作用，第28天后NO3--N含量才開始迅速增加。結(jié)果表明，加入硫酸銨后各土壤硝化速率大小順序?yàn)椋和寥繸>土壤X>土壤Y，各土壤之間差異明顯，土壤Z硝化速率最大，遲緩期最小。

2.2.2 25 ℃下硫酸銨對(duì)土壤硝化作用的影響 第14天后土壤Z中的NH4+-N含量迅速下降（圖4-A），35 d后NH4+-N含量接近于0；土壤X和土壤Y中的NH4+-N含量均緩慢下降，并且土壤Y下降速率低于土壤X。土壤Z在第7天才有少量硝態(tài)氮，第14天后硝態(tài)氮含量迅速增加（圖4-B），第42天時(shí)達(dá)到最高；土壤Y在前60 d內(nèi)一直保持較弱的硝化作用，而土壤X在前21 d硝化作用較弱，然后迅速增加，49 d后硝化作用顯著增強(qiáng)。結(jié)果表明，25 ℃下土壤間硝化速率變化趨勢(shì)與30 ℃下變化趨勢(shì)一致，各土壤硝化速率大小順序?yàn)椋和寥繸>土壤X>土壤Y。

從以上分析可知，不同肥料會(huì)對(duì)土壤硝化作用產(chǎn)生影響，相比硫酸銨，尿素可以提高土壤硝化速率，這可能是因?yàn)槟蛩厮鈺r(shí)可以提高周圍環(huán)境的pH，同時(shí)產(chǎn)生底物氨，從而促進(jìn)土壤硝化作用；而硫酸銨為酸性肥料，可以降低土壤pH，抑制土壤硝化作用。

2.3 不同氮肥對(duì)土壤硝化率的影響

從表2可以看出，氮肥種類和土壤溫度對(duì)土壤硝化速率產(chǎn)生顯著影響，在相同溫度下，相同氮肥條件下土壤Z的硝化率均最高，最大硝化率達(dá)到100%；土壤Y硝化率最低，最低的僅有4.1%（以硫酸銨為氮肥，25 ℃溫度下）。說(shuō)明土壤Z硝化潛力最強(qiáng)，土壤Y硝化潛力最弱。在相同氮肥、相同土壤條件下，30 ℃土壤硝化潛力顯著大于25 ℃土壤硝化潛力，說(shuō)明低溫抑制土壤硝化速率。在相同溫度、相同土壤條件下，施尿素后土壤硝化速率顯著大于施硫酸銨的土壤硝化速率，說(shuō)明施入不同氮肥，土壤硝化速率不同。

從結(jié)果中可以看出土壤硝化速率變化呈“S”型曲線，可將硝化階段分為延遲階段、最大速率階段以及停滯階段。但不同氮肥和溫度條件下，土壤延遲階段所需時(shí)間不同。土壤Z所需時(shí)間較短，土壤X所需時(shí)間較長(zhǎng)，土壤Y所需時(shí)間最長(zhǎng)。

3 討論與結(jié)論

硝態(tài)氮的吸收是主動(dòng)消耗能量的過(guò)程，根系硝酸鹽的吸收所需要的代謝能和碳骨架由從莖運(yùn)輸?shù)奶翘峁?。在咖啡植株中，根系生長(zhǎng)和硝酸鹽吸收競(jìng)爭(zhēng)碳水化合物。另外，增加外部硝態(tài)氮含量會(huì)使根系中硝酸還原酶活性顯著增加[21]，導(dǎo)致根系過(guò)度消耗糖。尤其在冬春季，咖啡果實(shí)成熟的時(shí)候，增加硝態(tài)氮有效性會(huì)降低咖啡長(zhǎng)勢(shì)，因此土壤硝化速率快慢會(huì)直接影響咖啡生長(zhǎng)。

本研究結(jié)果表明，在相同溫度和氮肥條件下，土壤Z（pH6.2）硝化潛力最強(qiáng)，銨態(tài)氮肥相對(duì)容易被硝化成硝態(tài)氮，而土壤X（pH4.96）和土壤Y（pH4.86）硝化作用較弱，完成硝化作用所需時(shí)間較長(zhǎng)，并且兩者無(wú)顯著差異。本研究中造成相同肥料不同硝化速率的主要因素是土壤的酸堿度，土壤酸性越強(qiáng)，土壤硝化速率越低。有研究表明土壤pH是影響硝化特性的主控因素[22-23]，土壤硝化率與土壤pH呈極顯著的正相關(guān)[10]，這與本研究結(jié)果相一致。土壤pH低限制了硝化微生物的生長(zhǎng)，從而抑制了土壤硝化作用的進(jìn)行[24]，這可能也是咖啡園磚紅壤硝化勢(shì)極低的重要原因。

本研究結(jié)果表明，氮肥種類對(duì)土壤硝化速率產(chǎn)生顯著影響。施尿素的土壤硝化速率高于施硫酸銨的土壤硝化速率，施尿素能顯著提高土壤硝化速率。這是因?yàn)榱蛩徜@為酸性肥，施入土壤后降低土壤pH值，從而降低土壤硝化速率；而尿素水解時(shí)可以提高周圍環(huán)境的pH。3種土壤相比，土壤Z硝化速率受氮肥種類影響較小，土壤X和Y受肥料種類影響較大。有研究表明，施氮顯著促進(jìn)紅壤（pH=6.27）硝化作用，降低土壤pH 值[12]；氮肥顯著抑制了初始pH 值小于5的2種土壤硝化作用，但顯著促進(jìn)了初始pH值大于5的紅壤的硝化速率[25]。由此可見(jiàn)，氮肥對(duì)土壤硝化作用的影響與土壤pH 值顯著相關(guān)。

本研究結(jié)果表明，土壤溫度對(duì)硝化作用產(chǎn)生顯著影響。溫度對(duì)施硫酸銨的土壤硝化速率影響大于對(duì)施尿素的土壤硝化速率；土壤溫度為30 ℃時(shí)硝化速率最高，土壤溫度為25 ℃時(shí)，對(duì)3種土壤硝化作用都有不同程度的抑制，這與張樹蘭等[26]、Keeney[27]研究結(jié)果一致。但Avrahami等[28]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分含量、銨濃度和pH保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，15～25 ℃時(shí)土壤硝化速率最高，這可能是由于土壤性質(zhì)不同，溫度會(huì)對(duì)土壤中銨濃度、pH和土壤濕度等有影響[29]，從而影響土壤硝化速率。

在土壤溫度、氮肥種類和土壤類型共同影響下，土壤硝化速率呈“S”型變化曲線。整個(gè)硝化過(guò)程可分為延遲階段（硝化微生物數(shù)量的生長(zhǎng)階段）、最大速率階段以及停滯階段[30]，這從一方面也說(shuō)明土壤中添加NH4+-N以后，刺激了硝化微生物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致土壤硝化作用增強(qiáng)。近年來(lái)的研究表明硝化作用的直接底物是NH3，NH4+為氨氧化細(xì)菌的間接底物，所以土壤硝化過(guò)程中氨氧化微生物種類和數(shù)量都受銨濃度的影響。當(dāng)往原有硝化微生物數(shù)量較少的土壤中加入銨態(tài)氮后，土壤硝化微生物迅速增加。

以上結(jié)果說(shuō)明，土壤性質(zhì)、氮肥種類和環(huán)境溫度等顯著影響土壤硝化速率。土壤性質(zhì)中土壤pH是影響硝化作用的主要因素，因此針對(duì)咖啡生長(zhǎng)的季節(jié)性、不同土壤特性和環(huán)境溫度，應(yīng)選擇不同種類肥料。在溫度低的冬春季，宜選擇尿素作為氮肥；在夏季，宜選擇硫酸銨等酸性肥作為氮肥，以降低土壤硝化速率。若土壤pH高，硝化能力強(qiáng)，則應(yīng)進(jìn)行少量多次施肥，以提高肥料利用率及降低水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；如果土壤pH低，硝化能力弱，那么可以用石灰適當(dāng)提高土壤pH，以提升土壤硝化能力，促進(jìn)銨態(tài)氮肥的轉(zhuǎn)化和被吸收，進(jìn)而提高磚紅壤生產(chǎn)力。

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